蓄水坑灌下土壤含水率增量的运移规律分析

　　我国是一个农业大国,其中苹果树种植面积和产量均居世界首位。而我国北方山丘区是苹果的主要产区,在这些地区年降雨量不但少且集中在汛期,容易形成径流损失,干旱问题十分突出,因此,发展果园节水灌溉势在必行。传统的地面灌溉 和 一 系 列 新 型 的 灌 溉 方 法 一 直 是 果 园 灌 溉 的 主 力军,在此环境下孙西欢教授于1998年提出了一种同时解决干旱问题与防治水土流失问题,并注重生态效益和经济效益的一种适合北方山 丘果林灌溉的新方法———蓄水 坑灌法。其特色在于节水、保水、抗旱、增产,充分利用当地降雨径流和有效控制水土流失等,从而提高果林作物的生产效益。蓄水坑灌法从提出到现在,经历了15a,期间做了大量的试验并取得了丰硕的成果,马娟娟、周青云、郭向红等对土壤水分运动方面做了大量研究,但这些大都是在室内实验的基础上建立的数值模拟。在田间,由于受到人为、气象、土壤等不确定外界因素的影响,现在只有樊晓波把蓄水坑灌和地面灌溉的水分分布特征进行过对比,而坑深作为蓄水坑灌中的一个重要参数,对蓄水坑灌的灌溉制度的制定和灌水质量的评价起着至关重要的作用,还没有进行过系统的不同坑深条件下的土壤水分分布研究。本文针对田间的土壤水分运动,选取不同的蓄水坑的坑深,对蓄水坑灌条件下的土壤含水率增量在垂向和径向的运移规律进行全面的分析,为提高灌溉水的利用效率以及蓄水坑灌法在田间的推广应用奠定基础。

　　1 材料与方法

　　(1)试验区概况。本次试验在山西省晋中市太谷县果树研究所进行。山西农科院果树研究所成立于1958年,地处太谷县西南,占地450hm2,距县城12km,东经112°32′,北纬37°23′,年平均气温9.8 ℃,无霜期175d,多年平均降雨量约460mm,属典型的暖温带季风影响下的大陆性半干旱气候类型。苹果品种主要以红富士和丹霞为主,果树株距行距均为2m。土壤以粉(沙)壤土为主,土壤密度为1.47g/cm3,田间持水率为0.167,土壤的机械组成见表1。【表1】

　　
　　 (2)试验设计。本次试验旨在研究不同蓄水坑深条件下的土壤水分动态,试验中选取生长良好、长势接近、具有代表性的果树进行研究。试验中采用蓄水坑深分别为40cm和60cm进行田间工程布置和试验。由于试验选取的果树树龄较短且树冠较小,考虑根系的生长环境,测点在径向上分别布置在距树干30、50、90、120cm处,在深度范围内每隔20cm测一次,最大测点深度为200cm,测点布置见图1。本次试验在2013年5月22日进行灌前含水率的测定,在5月23日进行灌水,灌水定额为300L/株,在灌后1d进行土壤含水率进行测定。【图1】

　　(3)测定项目与方法。本次试验分别在灌前和灌后进行土壤取样,然后用烘干法测定土壤含水率。

　　(4)数据处理与分析。试验中采用Microsoft Office Excel2003和surfer8.0对数据和图表进行处理。
　　
　　2 结果分析

　　2.1 不同坑深土壤含水率垂向变化特征对比
　　图2为蓄水坑灌条件下,蓄水坑深分别为40cm和60cm条件下的各层土壤含水率增量的垂向分布对比图。由图2可以看出,在坑深为40cm的条件下,距树干30、50、90和120cm处的土壤含水率增量在垂向的变化基本一致,即在地面附近,土壤的含水率增量较低,随着深度的增大,土壤含水率增量也随着增加,到达一定深度范围内,土壤含水率增量开始减少,土壤含水率增量的高值区在深度范围40~140cm。在地表0~40cm深度范围内,土壤径向30、120cm处为0.05左右,在径向50、90cm处含水率增量为0.1左右;在40~80cm深度范围内,由于水分是从地表以下40cm处向四周运移,土壤含水率增量开始增大,最大值达到0.35;在80~140cm范围内,土壤含水率增量在各个径向均呈现减少趋势,但仍属于含水率增量的高值区,均值为0.25;在140~200cm深度范围内,土壤含水率增量依然递减,但递减幅度相对较小,在深度200cm处出现最小值0.05。【图2.略】

　　在坑深为60cm的条件下,随着土壤深度的增加,土壤含水率增量同样呈先增大后减少的趋势。在地表以下0~40cm范围内,土壤含水率增量相对较少,在各个径向上,基本在0.1~0.2之间变化,明显小于坑深为40cm处理的土壤含水率增量;由于60cm坑深处理水分主要在地表以下60cm处开始扩散,土壤含水率增量主要在60~120cm的深度范围内增加,且在100~120cm范围处出现最大值0.36,与40cm坑深处理的最大值相近,但明显大于40cm坑深处理在此深度范围的土壤含水率增量;在120~160cm深度范围,土壤含水率增量开始减少,均值达到0.25,仍然是含水率增量的较大范围,但与40cm坑深处理的差距在渐渐变小;在180~200cm土壤含水率增量最小,由于水分不能充分运移到该范围,坑深为60cm的处理和坑深为40cm处理的土壤含水率增量值无明显差异,都出现低值区。

　　进一步采用式(1)形式的指数函数,对图2中的含水率增量变化曲线进行拟合,拟合结果见表2。【1】


　　
　　式中:θ为土壤含水率增量;z为土层深度;a、b、c为参数。【表2】

　　从表2可以看出,相关系数均在0.86以上,说明土壤含水率增量在垂向的分布符合式(1)形式的指数函数。同时,由表2可知,参数a、c在不同径向上均是随着坑深的增加而增大,参数b在不同径向上均为负值,且随着坑深的增加而减小。

　　2.2 不同坑深土壤含水率径向变化特征对比
　　图3为蓄水坑灌条件下,采用不同的坑深,在地表以下0~200cm深度范围内的各层土壤含水率增量径向变化图。【图3】

　　通过对比2种坑深条件下的土壤含水率增量在各个径距下的分布,可以看出,土壤水分增量沿径距方向的分布规律一致,即在距离蓄水坑较近处,土壤水分增量较大,距离蓄水坑较远处,土壤水分增量较小,且在距离树干较近的一侧土壤水分增量更大。这是由于采用蓄水坑灌灌水时,在确定灌水定额的情况时,无论坑深的大与小,灌溉水总是以蓄水坑为中心向四周运移,因此,在蓄水坑周围的土壤水分增量大,在距树干远的地方,水分不能充分运移,对土壤水分增量的影响较小。

　　从图3中可以看出,在40、80cm深度范围内,在径向30、50、90和120cm处,坑深40cm的土壤含水率增量明显大于坑深60cm的土壤含水率增量,差值的最小值为0.01,最大值为0.09,均值在0.05左右;在深度120cm以下,40cm坑深的土壤含水率增量小于60cm坑深的土壤含水率增量,最小差值为0.02,最大差值为0.1,均值在0.06左右。

　　对图3中的含水率增量变化曲线采用式(2)形式的指数函数进行拟合,拟合结果见表3。【2】

　　
　　式中:θ为土壤含水率增量;r为径向距离;a、d、e为参数。从表3可以看出,相关系数很高,均在0.99以上,说明土壤含水率增量在径向的分布符合式(2)形式的指数函数。其中由于蓄水坑灌是一种中深层的灌溉方式,拥有独特的灌溉机理,因此,参数a和e在40和80cm深度处,都是随坑深的增加而减小;在120和160cm深度处,都是随坑深的增加而增大。参数d在不同深度范围内均随着坑深的增加而减小。【表3】

　　2.3 不同坑深土壤含水率增量
　　2维分布对比分析图4为灌水前和灌水后蓄水坑灌不同坑深条件下土壤含水率增量的2维分布图。由图4可以看出,2种坑深处理下,土壤水分增量变化的规律基本一致,均为在径向以蓄水坑为中心,在垂向以某一土层深度为中心,向四周逐渐减小分布特征。【图4】

　　坑深40cm条件下,土壤含水率增量最大值出现在垂向深度80~100cm附近,为0.35;而坑深60cm条件下,土壤含水率增量的最大值出现在垂向100~120cm附近,为0.36。整体来说,坑深60cm条件下的土壤湿润深度较大;而在径向,2种坑深条件下,土壤含水率增量出现增加的区域基本一致,均以蓄水坑为中心,各层的土壤含水率增量沿各个径距处依次递减,水平湿润范围相当。同时采用式(3)对不同坑深土壤水分增量2维分布进行拟合,拟合结果见表4。【3】

　　
　　式中:r为径向距离;z为土层深度;θ为土壤含水率增量;a、b、c、d、e为参数。【表4】

　　由表4可以看出,相关系数均在0.95以上,说明土壤含水率增量的2维分布符合式(3)形式呈指数分布。同时,由表4可知,参数a、c随着坑深的增加而增大,参数b、e、d随着坑深的增加而减小。

　　3 结语

　　通过对蓄水坑灌不同蓄水坑深条件下的各层土壤含水率增量在垂向和径向的变化特征分析,可以得出以下结论。

　　(1)在蓄水坑灌条件下,40和60cm坑深的各层土壤水分增量在垂向上的分布特征一致,即随着深度的增加,均呈现先增大后减少的趋势,只是坑深40cm的土壤水分增量的高值区在40~140cm深度,60cm水分增量的高值区在60~160cm深度范围,说明坑深越大,在深层的土壤水分增量越大,向下湿润的土体范围也越深。因此坑深可以有效调控土壤水分在垂向上的分布,可以更好地为果树生长创造良好的环境。

　　(2)蓄水坑灌条件下,不同蓄水坑深条件下,各层土壤水分增量在径向分布规律相同,以蓄水坑为中心,距蓄水坑近处,土壤水分增量较大,距蓄水坑远处,土壤水分增量较小,且靠近树干一侧的土壤水分增量相对更大。因此,坑深对土壤水分增量的径向分布无明显影响。

　　蓄水坑灌法是一种中深层的立体灌溉方法,坑深作为其中重要的参数,对坑深的探索研究,将对灌溉制度的制定,灌水质量的评价,蓄水坑灌法的推广起到关键作用。